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[JAVA] JVM - 조윤호

JVM : Java Virtual Machine

  • 자바 프로그램이 실행되는 가상 머신
  • 자바 어플리케이션이 어느 CPU나 OS에서도 실행될 수 있게 지원

기존의 컴파일 언어

  • 프로그래밍 언어가 컴파일되는 시점에서, 해당 운영체제에 맞는 binary code로 변환된다.

vs

JVM

  • 자바가 컴파일되는 시점에서는 java code -> java bytecode로 변환됨
  • java bytecode는 실행 시점에 JVM에 의해 실행된다.

JVM vs JRE vs JDK

  • JVM (Java Virtual Machine)
  • JRE (Java Runtime Environment) : JVM + 표준 라이브러리
  • JDK (Java Dev Kit) : JRE + 컴파일러 등 개발환경에 필요한 요소들

자바 어플리케이션의 실행 과정

  1. 어플리케이션 실행 -> JVM이 OS로부터 메모리를 할당받는다.
  2. 자바 컴파일러가 자바 소스코드(.java)를 바이트코드(.class)로 변환
  3. Class Loader에서 바이트코드를 JVM으로 로딩한다.
  4. Execution Engine에서 바이트코드가 해석된다.
  5. 해석된 코드를 Runtime Data Area가 실행한다.

.class 파일 구조

  • Constant Pool

  • Bytecode

JVM 구성

Class Loader

  1. Loading
    • .class 코드 로딩
    • 한번에 모든 클래스를 올리지 않고, 필요할 때 동적으로 올림
  2. Linking
    • 클래스 간 연결구조 설정
  3. Initialization
    • Runtime Data Area에 배치

Runtime Data Area

  1. Method Area (모든 스레드 공유)
    • 클래스와 관련된 모든 정보가 저장된다.
    • Runetime Constant Pool : 상수 자료형을 저장하여 참조하는 역할
  2. Heap (모든 스레드 공유)
    • 런타임에 생성되는 모든 객체가 저장된다
    • 객체의 생성 및 소멸 처리
    • Young Generation : 생명주기가 짧은 객체 / Old Gen : 생명주기가 긴 객체
    • GC에 의해 지속적으로 메모리가 관리됨
      • Minor GC
      • Major GC
  3. JVM Stack (스레드별로 생성)
    • 메서드 호출과 관련된 정보를 저장한다.
    • 메서드가 호출될 때마다 Stack Frame 생성
    • 해당 메서드의 매개변수, 지역 변수, 메서드 호출 및 복귀 주소 등 저장
    • 프레임 구조
    • 지역변수 : Array의 형태로 저장되어 접근 가능
    • Operand Stack : 연산의 중간 결과물을 저장하는 stack
image 4. PC Registers (스레드별로 생성) - 현재 작업중인 program count의 위치를 기록 -> 멀티스레딩 환경에서 자신의 작업으로 돌아오기 위함 6. Native Method Stacks (스레드별로 생성) - c/c++로 작성된 프로그램을 실행하기 위한 스택

Execution Engine

image 1. Interpreter - 바이트코드 해석하여 실행 2. JIT Compilor (just in time) - 반복되는 코드를 발견하여 전체 바이트코드를 컴파일하고 - Native Code(c/c++)로 변경하여 사용 3. Garbage Collector - 더이상 참조되지 않는 메모리 객체를 모아 제거 - performance tunning에서 가장 중요한 요소!

Garbage Collector

Stop The World(STW)

  • GC를 수행하기 위해 JVM이 멈추는 현상
  • GC 관련 Thread를 제외한 모든 thread는 멈춘다
  • 이 시간을 최소화하는 것이 튜닝의 목적!!

Weak Generational Hypothesis : 약한 세대 가설

  • 대부분의 객체는 금방 불가능한 상태가 된다.
    • 하나의 중괄호 {} 안에서 생성되고 사용종료되는 경우가 많음
  • 오래된 객체에서 젊은 객체로의 참조는 아주 적게 발생
    • 코드가 순차적으로 실행되기 때문
    • 더이상 참조되지 않는 객체에 대해 소멸 가능

-> 따라서 Heap Area에서 더이상 사용하지 않는 객체를 소멸하는 작업이 필요하다!

Runtime Data Area > Heap Area

image - Young Generation : 생명주기가 짧은 객체 - Old Gen : 생명주기가 긴 객체 - Minor GC - Major GC
  1. 객체가 생성되면 Eden 영역에 생성됨
  2. Minor GC
    • 미사용 객체 제거
    • 사용되는 객체는 Servivor 영역(S1,S2)로 이동 (큰 객체는 바로 OG로 이동)
  3. S1과 S2 중 한곳은 비워져 있는 상태, 한 곳이 가득 차면 다른 영역으로 보내고(To), 기존 영역 비움(From)
  4. 1~3 반복 -> Servivor 영역에서 살아남은 객체에 score 누적됨 -> 기준치 이상일경우 OG로 이동 (=Promotion)
  5. OG에 객체가 일정 수준 이상 쌓일경우, Major GC 발생, STW 발생

GC Algorithm

  1. Reference Counting Algorithm : 각 객체마다 Ref Count 관리, 0이 되면 제거
    • 카운트가 0이 되면 바로 사라지는 장점
    • 순환 참조에서는 0이 되지 않음
  2. Mark-and-Sweep Algorithm
    • Mark : GC 대상이 아닌 객체를 마킹
    • Sweep : 마킹되지 않은 객체를 삭제
    • Compaction 작업이 없음 -> 메모리 단편화로 인한 memory 초과 문제 발생
  3. Mark-and-Compact Algorithm
    • Mark : GC 대상이 아닌 객체를 마킹
    • Sweep : 마킹되지 않은 객체를 삭제
    • Compact : 메모리의 빈 공간 제거
    • 메모리 효율 증가 / 작업량이 많아 오버헤드 발생 가능
  4. Copying Algorithm
  5. Concurrent Mark-Sweep Algorithm
  6. Generational Algorithm

GC의 종류

  • Serial GC
  • 하나의 CPU로 처리
  • Mark-and-Compact Algorithm
  • GC에서 STW 발생
  • Parallel GC
    • default in java 7~8
    • 병렬처리 -> STW 짧음
  • CMS GC (Concurrent Mark-Sweep)
    • 병렬처리 -> STW 짧음
    • Mark-and-Sweep Algorithm -> 메모리 단편화 발생
  • G1 GC
    • 고용량, 대규모에 �짧은 GC시간 보장
    • Heap영역이 Region이라는 하위 영역으로 분할하여 실행됨 -> 전체 GC시간 단축
    • 메모리 역할(Eden,OG,S1,S2,YG) 이 동적으로 부여됨
  • Z GC
    • ZPage 영역 사용 -> Region이 2MB의 배수로 유동적
    • 정지시간 10ms 초과되지 않음을 보장
    • Heap 크기가 증가하더라도 정지시간이 증가하지 않음

디폴트 : Parallel GC 튜닝할 경우 : 보통 CMS GC, G1 GC 사용